不同封閉情況下T型管道中瓦斯爆炸傳播規律實驗研究*

景國勛，朱斯佳，賀 祥

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.安陽工學院，河南 安陽 455000)

0 引言

煤炭資源是我國能源領域重要的組成部分，在國民經濟中占有極為重要的戰略地位，2019年原煤生產總量272 342.00萬t標準煤，同比增長了4.06%，且煤炭消費總量占我國能源消耗總量的57.7%。隨著煤礦開采，瓦斯涌出量增多，進而導致瓦斯爆炸事故發生，造成大量人員傷亡和巨大經濟損失。目前國內外學者已經對分岔巷道瓦斯爆炸進行了大量的研究，賈智偉等[1-2]和付元[3]利用瓦斯爆炸實驗管道系統，研究一般空氣區內瓦斯爆炸在單向分岔管道、拐彎管道中的壓力衰減規律。Lin等[4]和張家山等[5]對3種分岔結構的分岔角進行研究，得出超壓峰值、火焰傳播速度與分岔形式之間的關系。耿進軍等[6]對非燃燒區的瓦斯爆炸沖擊波在分岔管道中的傳播規律進行實驗研究。解北京等[7-8]在自制45°和T型透明分岔管道內，研究管道內瓦斯爆炸火焰傳播的變化規律。余明高等[9]運用自制的瓦斯爆炸實驗平臺進行了不同開口阻塞比下瓦斯爆炸實驗研究，研究泄壓強度與泄壓口位置對封閉管道內甲烷-空氣預混火焰傳播的影響規律。陳鵬等[10]通過在方形管道內放置不同厚度的泄壓膜并改變泄壓口位置進行實驗，研究泄壓強度與泄壓口位置對封閉管道內甲烷-空氣預混火焰傳播的影響規律。林柏泉等[11]通過實驗測定了瓦斯爆炸在分岔管道中傳播的爆炸波超壓值和火焰傳播速度，并對瓦斯爆炸在分岔管道中的傳播進行了理論分析。朱傳杰等[12]采用數值模擬的方法研究了爆炸波在封閉型系統的沖擊和振蕩特征及其特征參數變化規律。白岳松[13]對密閉直管道和密閉分岔管道中的瓦斯爆炸過程進行了數值模擬，重點研究了爆炸過程中火焰和沖擊波的傳播過程。嚴灼等[14]探索了體積不變條件下空腔尺寸特征對瓦斯爆炸傳播抑制性能的影響。王磊等[15]為了研究不同形狀障礙物對瓦斯爆炸傳播的影響機理，對直徑0.2 m、長6.5 m的密閉直管道內的瓦斯爆炸過程進行數值模擬。

從前人的研究可以看出，瓦斯爆炸的研究多集中在直管道和分岔管道，而在分岔管道中的研究，主要集中在非火焰區和開口管道，對火焰區以及不同封閉情況的管道的研究相對較少。鑒于此，本文采用分岔管道和管道封閉情況結合，以期找到不同封閉情況下分岔巷道中瓦斯爆炸傳播規律，擬進一步揭示封閉情況對分岔管道中瓦斯爆炸結果的影響，進而對瓦斯爆炸災害防治及降低事故強度提供一定的指導。

1 實驗裝置及方案

1.1 實驗系統

實驗系統由玻璃管道、配氣系統、點火系統、測試與數據采集系統、高速攝像圖像采集系統等組成。爆炸截面尺寸為80 mm×80 mm，直管道長度1 500 mm，支管道長度750 mm，管道壁厚20 mm，耐壓強度為2.0 MPa。管道左端是進氣口和點火電極，管道末端用PVC薄膜或者亞克力板進行密封，管道一側開有小孔來安置壓力傳感器。點火系統由高能點火器、點火電極組成，點火電壓為6 kV。數據采集系統由檢測區間為-0.1～0.1 MPa，采集頻率為20 k/s的壓力傳感器，USE-1608FS數據采集卡和同步控制器組成；圖像采集系統由High Speed Star 4G高速攝像機、控制器和計算機組成。實驗裝置系統如圖1所示。

圖1 實驗設備

1.2 實驗工況與方法

實驗所用的瓦斯濃度為8%、9.5%和11%，將質量流量計配制好的甲烷-空氣預混氣體通過管道左側進氣口通入，從管道末端排氣口流出，并向玻璃管道中通入不少于管道5倍體積的預混氣體來保證整個玻璃管道中的氣體排干凈，通氣結束后，關閉進氣閥和排氣閥，進行爆炸實驗。每組實驗至少進行3次。

實驗在90°分岔管道中進行，且各測點分布如圖2所示，測點1設置在分岔角前100 mm處，測點2和測點4設置在分岔角后100 mm處，測點3和測點5設置在距出口100 mm處；并對每個角度進行不同程度的封口，弱封閉采用PVC薄膜進行封口，強封閉采用亞克力板進行封口，具體封口方式如表1所示。

圖2 管道測點布置

表1 封口情況

2 實驗結果分析

2.1 壓力分析

瓦斯濃度對管道中瓦斯最大爆炸壓力的影響如圖3所示，隨著瓦斯濃度的增大，在管道相同位置處，管道中的瓦斯爆炸壓力先減小后增大，在瓦斯濃度為9.5%時，整個管道中瓦斯最大爆炸壓力達到最大，11%次之，8%最小。從圖3(a)可以看出，在雙PVC薄膜弱封閉管道中，單一濃度下，直管道和支管道中的瓦斯最大爆炸壓力呈減小趨勢。這是因為，當瓦斯爆炸發生后，管道中的沖擊波將一部分預混氣體沖出管道，使得管道中瓦斯濃度有所下降，導致后續反應強度下降，火焰鋒面速度減小，隨著反應的進行，不斷有瓦斯被沖出管道，參與燃燒反應的瓦斯濃度不斷降低，爆炸強度持續減弱，如此反復，管道中瓦斯最大爆炸壓力不斷減小。圖3(b)和3(c)可以看出，在支管封閉和直管封閉管道中，瓦斯最大爆炸壓力在強封閉端一側不斷增大，在弱封閉端一側壓力減小，主要是在直管和支管封閉管道中，由于封閉端屬于強封閉，瓦斯爆炸沖擊波到達閉端形成反射波，當反射波與燃燒反應區相遇，在反射波和后驅沖擊波的作用下，使預混氣體在封閉端反應時間加長，燃燒更加充分，壓力峰值也更大，而弱封閉端一側，受到爆炸源方向以及封閉端管道的高壓的影響，使得未封閉端的瓦斯氣體被排出管內，管道中瓦斯最大爆炸壓力減小。

圖3 瓦斯濃度對管道中瓦斯最大爆炸壓力的影響

不同封閉情況對管道中瓦斯最大爆炸壓力的影響如圖4所示，同濃度下，其中直管封閉管道中各測點的瓦斯最大爆炸壓力最大，雙PVC薄膜弱封閉管道次之，支管封閉管道最小。這是因為在直管封閉管道中，由于爆炸源與管道封閉端在同一水平管道，當瓦斯爆炸后，前驅沖擊波在直管末端產生的反射波向爆炸源處傳播，同時后續燃燒反應產生后驅沖擊波向管道末端傳播，兩股沖擊波碰撞導致管道中瓦斯氣體紊流增大，燃燒反應劇烈，進而使得管道內瓦斯最大爆炸壓力增大。同時由于直管道內反射波和后驅沖擊波的碰撞，能量損耗，直管中的氣體受到高壓影響較小，管道排出的瓦斯氣體較少，所以直管道中各測點瓦斯最大爆炸最大壓力大于雙PVC薄膜弱封閉管道。而支管封閉管道中，由于管道封閉端與爆炸源不處于同一直管中，當封閉端的反射波傳播到直管中，反射波碰撞分岔角壁面出現較大的能量損失，對分岔角前造成的紊流較小，瓦斯爆炸壓力增幅不大，同時由于支管和爆源處的高壓差的影響，分岔角后直管中的瓦斯氣體以更快的速度排出管道，使得瓦斯爆炸壓力減小，所以支管封閉管道中各測點的瓦斯最大爆炸壓力略小于雙PVC薄膜弱封閉管道。

圖4 不同封閉情況對管道中瓦斯最大爆炸壓力的影響

2.2 火焰分析

火焰傳播速度是根據火焰前沿位置隨時間變化而獲得，其計算公式如式(1)所示：

V=(Lt2-Lt1/t2-t1)

(1)

式中：t1和t2為時間，單位為s；Lt1和Lt2分別為t1時刻和t2時刻的火焰前沿位置，單位為mm。

2.2.1 弱封閉管道中火焰傳播規律

雙PVC薄膜弱封閉管道中直管和支管的火焰傳播速度-位置曲線與速度-時間曲線如圖5所示。由圖5可知，9.5%濃度的瓦斯爆炸火焰傳播速度最快，火焰鋒面傳出管道需要39 s左右，11%的次之，需要40 s左右，而濃度8%的瓦斯爆炸火焰傳播速度最慢，火焰鋒面傳出管道需要53 s左右。這是因為當瓦斯濃度為8%時，瓦斯爆炸初始壓力不大，當沖擊波到達分岔角處時，產生的能量損耗相比于爆炸總能量占比較大，所以火焰傳播速度變小，火焰鋒面較緩移動，使得管道中燃燒反應時間加長。

圖5～6可以看出，單一濃度下，隨著時間的增大，火焰鋒面的位置和速度發生變化，管道中火焰傳播速度先緩慢增大后略微減小，隨后又快速增大。這是由于瓦斯爆炸初期，此時爆炸強度較小，燃燒反應不充分，再加上管道壁面的摩擦、散熱等因素的影響，使得火焰加速度較小，隨著反應的進行到管道分岔點處，火焰鋒面在分岔角處向兩支管擴散，導致能量發生分流，火焰傳播速度下降，在分岔角后，受到沖擊波在分岔角處的形成的紊流，使得火焰鋒面在分岔處受到強烈的擾動，加劇火焰湍流的程度，火焰速度以較大的加速度增大。

圖5 雙PVC薄膜弱封閉管道中火焰傳播速度

圖6 雙PVC薄膜弱封閉管道中瓦斯爆炸的火焰傳播過程

2.2.2 強封閉管道火焰傳播規律

同樣在圖7中可以看出，隨著管道中瓦斯濃度的升高，管道中火焰傳播速度先增大后減小，9.5%瓦斯濃度爆炸的火焰傳播速度最大，用時最短，8%瓦斯濃度爆炸火焰傳播速度最小，傳播時間最長。和雙PVC薄膜弱封閉管道一樣，同樣由于8%的瓦斯濃度較低，使得初始爆炸強度小于9.5%和11%的瓦斯濃度爆炸強度，同時由于管道中的能量損失和預混氣體流失較大，使得8%濃度的瓦斯爆炸火焰速度低于9.5%和11%的瓦斯濃度爆炸火焰速度，反應時間也加長。

其中直管封閉管道火焰傳播速度曲線如圖7(a)～(d)所示，支管封閉管道火焰傳播速度曲線如圖7(e)～(h)所示。由圖7可知，同一瓦斯濃度下，分岔角前，火焰鋒面傳播速度變化與雙PVC膜相似，先緩慢增大后短暫下降。但在分岔角后，強封閉端火焰鋒面傳播速度變化與雙PVC薄膜弱封閉管道不同，結合圖8和圖9，直管封閉直管道中，在時間31～33 ms期間，火焰鋒面向著點火端移動，而支管封閉支管道出現火焰鋒面向分岔角處回流。火焰鋒面速度呈現先增大后減小，隨后開始向點火端方向增大，如此反復，在分岔角和分岔角后一段距離內出現火焰振蕩現象。這是因為當沖擊波通過分岔角到達封閉端處，由于強封閉的阻擋導致管道內局部壓力快速上升，產生反射波，將端口的預混氣體向分岔口推去，并在封閉端口短暫形成高壓區，在高壓區的影響下，火焰鋒面傳播到分岔口后速度降低，直至高壓區的壓力大于爆炸壓力，使得火焰鋒面向分岔口處移動，如此反復，出現火焰振蕩現象。而在弱封閉端，即火焰鋒面傳播直管封閉支管道中，火焰鋒面在約31 ms時就快沖出管道，火焰鋒面比雙PVC薄膜弱封閉管道沖出管道提前了約8 ms，而支管封閉直管道中火焰鋒面約41 ms沖出管道，火焰鋒面沖出管道比雙PVC薄膜弱封閉管道落后約2 ms，這是由于弱封閉端受到爆源和管道封閉端處高壓的影響，推動管道內瓦斯氣體向弱封閉管處移動，使得管道內燃燒反應加快，導致火焰鋒面以極快的速度傳播。

圖7 封閉管道中火焰傳播速度-位置和時間曲線

圖8 直管封閉管道中瓦斯爆炸的火焰傳播過程

圖9 支管封閉管道中瓦斯爆炸的火焰傳播過程

3 結論

1)在瓦斯濃度為9.5%時，T型管道中各點處的瓦斯最大爆炸壓力、火焰傳播速度和火焰鋒面振蕩幅度最大，11%次之，8%最小。

2)T型管道中，弱封閉端的瓦斯最大爆炸壓力不斷減小，火焰傳播速度先增大后減小，隨后快速增大；強封閉端的瓦斯最大爆炸壓力增大，火焰傳播速度先增大后減小，隨后再略微增大后快速減小，并出現火焰振蕩現象。

3)封閉情況不同的管道中各測點的瓦斯最大爆炸壓力和管道中火焰鋒面傳播速度大小比較：直管封閉管道>雙PVC薄膜弱封閉管道>支管封閉管道。